I IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

Germán Martín Boizas

(CÓMO Y PORQUÉ DE LA IMPRESIÓN 3D)

Introducción a la

I

Dedicatoria

A mi mujer, que está sorprendentemente habituada a vivir con mis múltiples manías, y responde siempre con una sonrisa a los miles de veces que le hago leer y releer algo.

II

Nota informativa

Este libro se ofrece sin coste alguno. No debería haber pagado por él. Sin embargo, el copyright del mismo sigue siendo propiedad exclusiva del autor y por lo tanto no se permite su reproducción ni copiado ya sea con fines comerciales o sin ánimos de lucro, aunque si su libre distribución.El autor no será responsable de cualesquiera consecuencias derivadas del uso de la información aquí contenida, de decisiones tomadas a partir de ella, ni de la precisión de la misma.© Germán Martín Boizas 2018. Todos los derechos reservados.

Primera Edición: Mayo 2018

III

Contenido

PPRÓLOGO .................................................................................................................................................. 1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 3

Definición y conceptos clave ...................................................................................................................................... 5 ¿Qué es la fabricación aditiva? .................................................................................................................................... 5

¿CÓMO SE HACE? ................................................................................................................................... 14

Proceso genérico de fabricación aditiva ................................................................................................................... 16 Paso 1: Generación de modelo 3D ............................................................................................................................. 17 Paso 2: Simplificación a formato válido para el Sistema de fabricación aditiva ........................................................ 20 Paso 3: Rebanado (“Slicing”) ...................................................................................................................................... 21 Paso 4: Ejecución en la Máquina de fabricación aditiva ............................................................................................ 24 Paso 5: Extracción ...................................................................................................................................................... 25 Paso 6: Acabado y post-producción ........................................................................................................................... 26

VENTAJAS DE LA FABRICACIÓN ADITIVA ................................................................................................. 29

Ventajas .................................................................................................................................................................. 31 Residuos y moldes ..................................................................................................................................................... 31 Geometrías ................................................................................................................................................................ 32 ................................................................................................................................................................................... 34 Curvas de coste .......................................................................................................................................................... 35 Resumen de las ventajas de la fabricación aditiva..................................................................................................... 41

PROBLEMAS DE LA FABRICACIÓN ADITIVA ............................................................................................. 42

Problemas ............................................................................................................................................................... 44 De vuelta con las curvas de coste .............................................................................................................................. 44 Problemas en el rebanado ......................................................................................................................................... 45 Anisotropía ................................................................................................................................................................. 48 Repetibilidad .............................................................................................................................................................. 49 Propiedades de algunos materiales ........................................................................................................................... 50 Tamaño ...................................................................................................................................................................... 50 Estándares .................................................................................................................................................................. 50 Escasez de conocimiento ........................................................................................................................................... 51 Nuevos competidores ................................................................................................................................................ 51 Resumen de los problemas de la fabricación aditiva ................................................................................................. 52

HISTORIA ................................................................................................................................................. 53

Historia ................................................................................................................................................................... 55

IV

AAPLICACIONES Y EJEMPLOS SECTORIALES .............................................................................................. 57

Cuando aplicar una fabricación aditiva .................................................................................................................... 59 Estrategias .................................................................................................................................................................. 59 Prototipado rápido ..................................................................................................................................................... 59 Copia .......................................................................................................................................................................... 60 Repuestos .................................................................................................................................................................. 63 Arquitectura ............................................................................................................................................................... 64 Joyería y Decoración .................................................................................................................................................. 67 ................................................................................................................................................................................... 67 Moda .......................................................................................................................................................................... 67 En el espacio .............................................................................................................................................................. 68 Sector aéreo ............................................................................................................................................................... 70 Industria automovilística ........................................................................................................................................... 71 Ayuda humanitaria..................................................................................................................................................... 71 Medicina personalizada ............................................................................................................................................. 72 Bioimpresión .............................................................................................................................................................. 75 Imprimiendo comida .................................................................................................................................................. 76 Electrónica ................................................................................................................................................................. 78 Internet of Things (IoT) .............................................................................................................................................. 78 Enseñanza .................................................................................................................................................................. 79 El Movimiento Maker ................................................................................................................................................ 80 Moldes de inyección .................................................................................................................................................. 81

TRANSFORMANDO LA FORMA EN QUE PRODUCIMOS Y CONSUMIMOS ............................................... 82

La nueva cadena de suministro ................................................................................................................................ 84 Introducción ............................................................................................................................................................... 84 Cambios posibles debidos a la fabricación aditiva ..................................................................................................... 86

OTROS FACTORES ................................................................................................................................... 92

Seguridad y Ciberseguridad ..................................................................................................................................... 94 Seguridad ................................................................................................................................................................... 94 Seguridad de la impresión 3D. ................................................................................................................................... 96

Aspectos legales y éticos ....................................................................................................................................... 100 Recursos humanos ................................................................................................................................................ 102 Estándares en la Fabricación Aditiva ...................................................................................................................... 104 Medio ambiente .................................................................................................................................................... 106

Uso de material ........................................................................................................................................................ 106 Transporte de mercancías ....................................................................................................................................... 106 Ahorro en almacenamiento ..................................................................................................................................... 107 Cuestión de peso ...................................................................................................................................................... 107 Tiradas más cortas ................................................................................................................................................... 107 Residuos ................................................................................................................................................................... 108 Reciclaje ................................................................................................................................................................... 108 Reduciendo la obsolescencia ................................................................................................................................... 108 Consumo de Energía ................................................................................................................................................ 109 Materiales ................................................................................................................................................................ 109

Impresión 4D ......................................................................................................................................................... 111

V

¿4D? ......................................................................................................................................................................... 111

EEVALUACIÓN PARA LA ADOPCIÓN DE FABRICACIÓN ADITIVA.............................................................. 113

Analizando la opción de la fabricación aditiva ........................................................................................................ 115 Algunas preguntas previas a hacerse ....................................................................................................................... 115 ¿Sí o no? ................................................................................................................................................................... 116 Análisis de costes en la fabricación aditiva .............................................................................................................. 119 Externalizar o no ...................................................................................................................................................... 121 Un posible modelo de referencia ............................................................................................................................. 124

PRINCIPALES TECNOLOGÍAS ................................................................................................................. 132

Tipos de Tecnologías de Fabricación Aditiva ........................................................................................................... 134 Material Extrusion ................................................................................................................................................. 136

FDM / FFF ................................................................................................................................................................. 136 Materiales ................................................................................................................................................................ 140 Ventajas e inconvenientes ....................................................................................................................................... 141 Syringe Extrusion ..................................................................................................................................................... 142

Vat Polymerization ................................................................................................................................................ 144 SLA ........................................................................................................................................................................... 144 DLP ........................................................................................................................................................................... 147 Ventajas e inconvenientes ....................................................................................................................................... 147

Powder Bed Fusion ................................................................................................................................................ 149 SLM/DMLS ............................................................................................................................................................... 149 SLS ............................................................................................................................................................................ 151 EBM .......................................................................................................................................................................... 153

Material Jetting ..................................................................................................................................................... 155 Inyección de Materiales ........................................................................................................................................... 155 Multi-jet fusion ........................................................................................................................................................ 156

Binder Jetting ........................................................................................................................................................ 159 Inyección de Aglutinante ......................................................................................................................................... 159

Directed Energy Deposition ................................................................................................................................... 161 DED .......................................................................................................................................................................... 161

Sheet Lamination .................................................................................................................................................. 163 Laminated Object Manufacturing ............................................................................................................................ 163 Ultrasonic Additive Manufacturing .......................................................................................................................... 164

Resumen comparado de tecnologías de fabricación aditiva .................................................................................... 166 Resumen .................................................................................................................................................................. 166

VISIÓN DE FUTURO ............................................................................................................................... 168

¿Qué esperar del futuro? ....................................................................................................................................... 170 Empecemos por lo fácil ............................................................................................................................................ 170 Impresión 3D industrial ............................................................................................................................................ 170 La impresión 3D en casa .......................................................................................................................................... 172

VI

¿Hasta dónde? ......................................................................................................................................................... 173

PPRUEBA DE COMPRENSIÓN .................................................................................................................. 175

Examen ................................................................................................................................................................. 177 Soluciones ................................................................................................................................................................ 182

DESPEDIDA ............................................................................................................................................ 183

Glosario de términos ............................................................................................................................................. 185 Contraportada .......................................................................................................................................................... 196

1

Prólogo

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EN LOS ÚLTIMOS AÑOS resulta poco menos que imposible no haber oído hablar de la Fabricación Aditiva, con este término o en su forma más conocida para el gran público, impresión 3D. Nos hemos ya acostumbrado a los titulares tipo “el primer coche impreso en 3D” y las impresoras 3D de uso personal no hacen sino reducir año a año su precio, haciéndolas muy atractivas para los aficionados a la tecnología o al bricolaje. De igual modo, son muy pocas ya las universidades que no incluyen planes formativos específicos en estas tecnologías para sus alumnos en los programas de sus diversas titulaciones, y no sólo en las de ingeniería.

Oímos cantos de sirena afirmando que la impresión 3D terminará por eliminar a los procesos de fabricación alternativos y en un futuro no muy lejano todos tendremos una impresora en casa que nos facilitará prácticamente todo lo que necesitemos, desde un tornillo para arreglar la mesa hasta incluso nuestra comida.

Las promesas de la Fabricación Aditiva, ¿son reales?, ¿es tan revolucionaria su tecnología?, ¿desaparecerán las fábricas tal y como las conocemos?, ¿qué ventajas e inconvenientes tiene? Mi propósito al escribir esto es simplemente facilitar un primer acercamiento a esta nueva forma de fabricación, con el objetivo de que el lector sea capaz de evaluar por sí mismo la veracidad de esta nueva revolucióntecnológica

3

IntroducciónCapítulo 1

La Fabricación Aditiva o impresión 3D es posiblemente el componente más conocido de la llamada Industria 4.0, la nueva revolución industrial, y sin embargo no todos conocen en qué consiste y el porqué de este nuevo tipo de fabricación.

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“El comienzo es la parte más importante del recorrido”

Platón

5

¿Qué es la fabricación aditiva?

Si atendemos a la definición que podemos encontrar hoy día en Wikipedia “La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición donde un objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material”.

Sin embargo, si nos atenemos estrictamente a lo que dice esta definición no parece algo muy moderno. Por ejemplo, la humanidad lleva miles de años haciendo paredes a base de poner ladrillos unos sobre otros.

Figura 1: Sin duda las pirámides de Egipto son un “objeto tridimensional creado mediante la superposición de capas sucesivas de grandes piedras” (Foto: Pixabay)

Resulta por tanto necesario añadir algo más a la definición que explique el porqué de tanto revuelo. En definitiva, se trata de distinguir entre una fabricación aditiva artesanal y la actual tecnología industrial, por lo que creo necesario reformular la definición añadiendo un mayor nivel de detalle:

Definición de Fabricación Aditiva

La Fabricación Aditiva es el conjunto de tecnologías de fabricación por las que un diseño digital en 3D se transforma en un objeto real, uniendo poco a poco material (o materiales) de

Definición y conceptos clave

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forma controlada por un ordenador, como oposición a las tecnologías sustractivas.

Añadimos así a la definición inicial varios puntos muy importantes, como son que el proceso está controlado por un ordenador, o que el inicio del mismo es un modelo informático en tres dimensiones, haciendo además mención a que es el “proceso opuesto” a una metodología sustractiva.

Para entender por tanto la fabricación aditiva es necesario entender los mecanismos de fabricación alternativos, agrupados de forma general en dos grandes grupos: la fabricación conformativa y la fabricación sustractiva.

Llamamos fabricación conformativa (o formativa, según otros autores) a aquella en la que un material es obligado (por presión, a golpes, derritiéndolo o por cualquier otro procedimiento) a adquirir la forma y dimensiones que nos interese. La fabricación sustractivasería aquella en la que se van eliminando trozos de material (a golpes, lijado, fresado u otro procedimiento) de un bloque compacto inicial hasta conseguir el producto deseado.

Sería difícil establecer cuál de ellas es más antigua, puesto que ambas técnicas eran empleadas por el hombre prehistórico cuando moldeaba arcilla con sus manos hasta conseguir la forma de un cuenco (fabricación conformativa) o cuando golpeaba una piedra de sílex quitándole lascas hasta conseguir una punta de hacha afilada (fabricación sustractiva).

Podemos ver ejemplos de técnicas conformativas tradicionales en laGalería 1,

Galería 1: Ejemplos de fabricación conformativa tradicional. Hay muchas maneras distintas de forzar un material a adquirir una forma determinada.

y ejemplos de técnicas sustractivas en la Galería 2:

Foto: Pixabay Foto © Germán Martín Foto © Germán Martín

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Galería 2: Ejemplos de fabricación sustractiva tradicional. Como decía Miguel Angel: “La escul-

tura ya estaba dentro de la piedra. Yo, únicamente, he debido eliminar el mármol que le sobraba

Todos los actuales procesos industriales (exceptuando los nuevos de fabricación aditiva, claro) pueden agruparse en alguna de estas dos categorías.

Así, un ejemplo común de empleo de la fabricación conformativa en la actualidad sería la tecnología de inyección de plástico dentro de un molde, con un proceso genérico similar al presentado en el diagrama 1.1:

Diagrama 1.1: Proceso típico de fabricación conformativa. (a) inyección de material en el molde; (b) separación del molde; (c) producto terminado.

Los ejemplos de productos realizados con fabricación conformativa industrial moderna nos rodean en prácticamente todos los objetos de plástico (ver Galería 3).

Imagen por Stanislav Traykov, Niabot (cut out) – Image: Michelangelo’s

Pieta 5450.jpg, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/i

ndex.php?curid=3667077

Foto: Pixabay

Foto © Germán Martín

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Galería 3: Ejemplos de fabricación conformativa moderna.

De igual modo, un ejemplo moderno de la fabricación sustractiva sería el empleo de máquinas CNC (Control Numérico Computerizado) de fresado. En ellas, una máquina-herramienta es programada mediante ordenador para la ejecución de una serie de trabajos mecanizados por arranque de viruta mediante el movimiento de una fresa (herramienta rotativa de corte). Con ello, la fresa elimina todo el sobrante de un bloque de material hasta conseguir el producto deseado de una forma automática.

El proceso genérico de la fabricación sustractiva sería por tanto el presentado en el diagrama 1.2.

Diagrama 1.2: Proceso típico de fabricación sustractiva. (a) Partimos de un bloque de material; (b) eliminación de material hasta adquirir la forma deseada; (c) producto terminado.

A la vista del proceso sustractivo, es más sencillo ver en qué consiste una fabricación aditiva; justo en todo lo contrario: partimos de la “nada”, y vamos añadiendo de forma sucesiva material (poquito a poquito, generalmente capa a capa) hasta conseguir el producto final.

A modo de ejemplo, una forma teóricamente posible de fabricar un sencillo vaso sería ir superponiendo una serie de aros de plástico, pegándolos sobre una base redonda, en la forma siguiente descrita en la imagen:

Los tradicionales soldaditos de juguete hechos de plástico son otro ejemplo clásico de inyección de materiales. (Foto: Pixabay)

Botellas hechas por inyección de plástico en un molde. (Foto: Pixabay)

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Figura 2: Al ir pegando uno a uno aros de plástico sobre una base circular terminamos construyendo un vaso.

La moderna impresión 3D consiste precisamente en eso: en ir añadiendo elementos de material de forma muy precisa, asegurando la correcta unión entre los distintos elementos añadidos (por ejemplo, haciendo que el material esté a una temperatura tal que una adecuada fusión entre capas es posible); y todo ello de forma automática, controlada por un ordenador y a partir de un diseño preliminar en 3D.

Como analogía, vamos a revisar cómo obtenemos una imagen impresa en un papel mediante una impresora de inyección de tinta.

Partimos de una imagen digital que, como sabrá, está compuesta de múltiples puntos, llamados pixels. Es la unión de millones de pequeños pixels, imperceptibles uno a uno a simple vista, lo que construye la imagen final. Estamos tan acostumbrados al mundo de la imagen digital que parece que ya no recordamos que hace nada las imágenes no se hacían así.

Figura 3: Concepto de pixel.

A continuación, tenemos que llevar cada uno de esos pixels a un papel. La forma normal de hacerlo es mediante el “driver” de la impresora, un programa que se encarga de transformar cada uno de esos pixels en uno (o varios) puntos (dots) que serán la “unidad imprimible”.

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Figura 4: Para imprimir transformamos pixels en puntos.

Finalmente, nuestro hardware (la impresora de inyección de tinta) ejecutará las acciones pertinentes para escribir los puntos del color adecuado (basado en 4 colores básicos) en la posición deseada del papel.

Figura 5: Funcionamiento esquemático de una impresora de inyección de tinta.

Pues bien, si llevamos este mismo principio a las tres dimensiones, podemos considerar que cualquier objeto está compuesto de “pixels en 3D”, llamados vóxels (del inglés, volumetric pixel, pixels con volumen).

Si fuésemos capaces de ir añadiendo “cubitos” de materia en los sitios adecuados podríamos teóricamente construir cualquier cosa, de modo análogo a como construimos una imagen digital a partir de sus pixels. Al fin y al cabo, los objetos están compuestos de átomos de distintos elementos que componen los materiales, todos ellos unidos entre sí.

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Figura 6: Concepto de vóxel.

No estamos ni de lejos cerca de fabricar algo a base de unir átomos, en lo que es habitual en las películas de ciencia-ficción (aunque en laboratorio se trabaja ya a nivel molecular). Y ni siquiera muchas tecnologías de fabricación aditiva tienen control a nivel de vóxel, sino que están más enfocadas hacia líneas superpuestas (varios vóxels a la misma altura). Pero el principio es el mismo.

Figura 7: Construcción de un objeto a partir de vóxels.

En la medida que la tecnología de fabricación aditiva evoluciona permite capas más y más finas, con resoluciones ya inferiores a la décima de milímetro, y así la percepción para el usuario empieza a ser casi invisible.

Figura 8: Representación de un objeto 3D con diferentes tamaños de vóxels. Puede observarse que al reducir el tamaño del vóxel mejora la resolución hasta el punto de ser imperceptible

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Continuando con el símil de las imágenes digitales, ahora es difícil recordarlo, pero hubo un tiempo en el que, al ser totalmente perceptibles, el aspecto de cada pixel resultaba significativo. Por ejemplo, ciertos sistemas de imagen digital (como los que buscan mantener la compatibilidad con películas de televisión) no usan un pixel cuadrado, sino pixels rectangulares en los cuales la altura del pixel es diferente de su anchura. La relación de aspecto de un pixel (pixel aspect ratio) es lo que describe la diferencia. De igual modo, el vóxel que consigamos fabricar, tampoco tiene por qué ser perfecto, pudiendo tener diferentes dimensiones x,y,z:

Figura 9: Relación de aspecto.

De hecho, en muchas tecnologías de impresión 3D, podemos considerar que, más que un vóxel con forma de prisma, tenemos una especie de esfera irregular capaz de fundirse con las vecinas. Es la unión de muchas de ellas la que permitirá construir el objeto final, de forma similar a como en la impresión digital un pixel se transforma en uno o más puntos (dots):

Figura 10: Vóxels impresos.

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Y, por supuesto, la adición de múltiples de capas así confeccionadas es lo que terminará construyendo nuestro objeto final:

Figura 11: Una letra L impresa en 3D

Para poder comparar posteriormente con respecto a los procesos de fabricación conformativa y sustractiva presentados en los diagramas 1 y 2, nos quedaría así este proceso simplificado para la fabricación aditiva:

Diagrama 1.3: Proceso típico simplificado de fabricación aditiva. (a) Un diseño 3D es enviado a una impresora 3D; (b) capa a capa se construye el modelo;

(c) producto terminado

Hemos encontrado por tanto una “tercera vía” para fabricar un mismo objeto. ¿Y qué?, se preguntará el lector. Al fin y al cabo, aunque por distintos caminos, los tres procesos acaban generando aparentemente el mismo producto. Para entender las ventajas que supone emplear esta tercera vía es necesario entrar un poco más en detalle en el proceso de fabricación aditiva.

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¿Cómo se hace?Capítulo 2

Bajo la denominación de Fabricación Aditiva se agrupan ya decenas de nuevas tecnologías de fabricación. Sin embargo, sin entrar en demasiados detalles técnicos, es posible explicar de una forma general en qué consisten todas ellas.

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“No se puede desatar un nudo sin saber cómo está hecho”.

Aristóteles.

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Como veremos más adelante, existen actualmente una multitud de tecnologías de fabricación aditiva, si bien es posible establecer un proceso genérico común a todas ellas, que consta de 6 fases:

1. Generación de un modelo 3D en ordenador.

2. Simplificación del modelo al formato válido para la máquina de fabricación.

3. Rebanado / Troceado de la pieza

4. Fabricación capa a capa con la tecnología 3D seleccionada.

5. Extracción del producto fabricado.

6. Acabado y post-producción

Proceso genérico de fabricación aditiva

Figura 12: Proceso genérico de fabricación aditiva

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Paso 1: Generación de modelo 3D

El primer paso común a un proceso de fabricación aditiva es generar un modelo de ordenador en 3D del producto que queremos obtener.

Existen actualmente múltiples sistemas de diseño de piezas en 3D, si bien de forma general

podemos considerar 3 tipos:

• Herramientas de CAD / Modelado de Sólidos.

• Herramientas de Escultura 3D

• Modelado de superficie / malla 3D.

No es el objetivo del presente libro revisar las distintas herramientas de diseño 3D, por lo que nos limitaremos a señalar algunas de las más conocidas de cada tipo:

• CAD: OpenSCAD, Autodesk 123D, 3D Slash, SelfCAD, TinkerCAD,SketchUp, AutoCAD, SolidWorks

• Escultura: ZBrush, Sculptris, MudBox

• Malla / Superficie: MeshMixer, 3DS Max, Blender, Rhino3D

En la actualidad, sin embargo, una opción alternativa a diseñar el modelo es simplemente obtener un modelo 3D ya hecho, seleccionando de entre los miles disponibles en los sitios de internet dedicados a la compartición de modelos. Existen tanto modelos gratuitos como de pago. Algunos de los sitios más conocidos son:

• 3D Marvels

• 3D Via

• GrabCAD

• Google 3D Warehouse

• Ponoko Product Plans

• Shapeways 3D Parts Database

• Thingiverse

• Turbosquid

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A la hora de adquirir un modelo es importante diferenciar entre aquellos ya diseñados específicamente para su fabricación en impresión 3D, frente a los diseñados para otros propósitos. Contrario a la promesa de la fabricación aditiva de posibilitar todo tipo de diseños, algunos modelos pueden dar grandes problemas para su fabricación, dependiendo de las limitaciones de la tecnología escogida. Un diseño específicamente diseñado para una tecnología de impresión 3D concreta garantiza un mejor resultado.

Finalmente, otra opción alternativa a la generación del modelo en el ordenador es el escaneo de un objeto real, en un proceso conocido como escaneo 3D (3D scanning).

Existen varias opciones disponibles, como son:

1- Multi-fotografía (también conocida como fotogrametría). Una técnica que consiste en realizar una serie de fotografías de un objeto, desde todos los ángulos posibles. A continuación, un software se encarga de encontrar los puntos comunes entre las distintas fotografías hasta crear una malla representando el objeto tridimensional. Existen múltiples programas capaces de hacer esta actividad como Agisoft PhotoScan, Trno o Autodesk ReCap, tanto para usar la cámara del móvil (la opción más barata) como cámaras profesionales.

Figura 13: Reconstrucción de un cubo mediante fotogrametría.

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2- Scanner láser / óptico. Se trata de un aparato que emite una luz láser, midiendo el ángulo en que se devuelve la luz, al mismo tiempo que rota el objeto (o el escáner alrededor de éste) de manera que determina la forma del objeto original.

Así, por ejemplo, para escanear la figura de papiroflexia de la fotografía, la pondríamos en nuestro escáner (1), el escáner giraría el objeto midiendo la luz reflejada (2), a partir de la información generaría una nube de puntos (3), que sería finalmente “limpiada” hasta tener nuestro objeto 3D (4).

Figura 15. Proceso de 3D Scanning. Foto © Germán Martín.

3- Tomografía por ordenador. Se trata de la opción más cara pero la más rápida y precisa, al ser un aparato equivalente a los empleados en medicina.

4- Medición mecánica, mediante una máquina de medición por coordenadas (CMM, del inglés Coordinate Measuring Machine). Es un instrumento de medición directa que emplea un puntero físico con el que se va tocando al objeto al mismo tiempo que se envían

Figura 14 © Germán Martín

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coordenadas. Se miden así completamente todas las dimensiones del objeto, siendo un procedimiento muy preciso, pero también muy lento.

5- Finalmente, si no hay otra alternativa, la única opción posible será medir manualmente (con el metro de toda la vida o similar) las dimensiones más relevantes del objeto, para a continuación construir con esas medidas su diseño 3D en la herramienta de diseño favorita.

La comparativa de las opciones de escaneo 3D quedaría resumida en la siguiente tabla:

Tabla 1: Resumen de opciones de escaneo 3D

Paso 2: Simplificación a formato válido para el Sistema de fabricación aditiva

Tenemos ya un objeto 3D en el ordenador. Pero esto no significa que dicho objeto sea directamente imprimible; por ejemplo, muchos objetos creados para la animación 3D son totalmente huecos, sin volumen ni siquiera en su superficie, y sería imposible imprimirlos así. Es necesario asegurar que el diseño 3D es

imprimible (técnicamente, se denomina reparar el modelo para evitar problemas).

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Además, aunque hay múltiples excepciones, la mayoría de los sistemas de impresión 3D no soportan todos los formatos de objetos 3D, sino que se limitan normalmente a los más simples.

De forma genérica, y por motivos históricos, el formato normalmente empleado es .STL. Este formato adquiere su nombre de la primera tecnología de fabricación 3D inventada, la estereolitografía(STereoLithography), y guarda los modelos 3D como conjuntos de triángulos unidos entre sí.

La mayoría de los sistemas de diseño 3D son capaces de transformar un modelo a formato .STL, si bien generalmente se emplea el software específico del fabricante de la máquina de fabricación aditiva (la impresora 3D) que estemos utilizando.

A pesar de ser el formato más utilizado, es un formato que empieza a quedarse muy anticuado para las tecnologías modernas (por poner un ejemplo, no contiene información sobre distintos colores) por lo que los fabricantes buscan la estandarización de un nuevo formato más avanzado. Por ejemplo, el consorcio 3MF (https://3mf.io) está formado por jugadores clave en la industria como Ultimaker, Stratasys, GE, HP,Siemens o Autodesk, con el objetivo de acordar una especificación (el formato .3mf) que elimine las limitaciones de los formatos actuales y fomente la interoperatibilidad entre fabricantes.

Paso 3: Rebanado (“Slicing”)

Una vez tenemos el modelo 3D en un formato adecuado, la siguiente fase es establecer las capas que, una a una, van a construir el producto final; esto se hace cortando (rebanando) el modelo en trozos superpuestos muy finos uno sobre otro.

Podría parecer que esta fase es algo trivial o estándar; al fin y al cabo, se trata simplemente de cortar por planos horizontales paralelos un objeto conocido. Sin embargo, no es así: esta fase es la que define exactamente en qué forma nuestra máquina va a generar el producto; vamos a traducir un modelo de ordenador a órdenes de la máquina para, trocito a trocito, fabricar un objeto.

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Figura 16: Ejemplo de rebanado con el software Simplify3D

Para completar su tarea de la forma más eficaz el programa de rebanado tendrá que tener en cuenta las características de la impresora y la geometría del modelo 3D si queremos obtener los mejores resultados. Se trata por tanto de la fase más crítica.

Son muchos los factores que habrán de tenerse en cuenta para un correcto “slicing”. Para empezar, la altura de cada capa nos dará mayor o menor resolución (al igual que veíamos con el tamaño de vóxel), a costa de más tiempo de fabricación.

Figura 17: Rebanado con distintos grosores de capa.

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Otro factor clave en esta fase será determinar en qué forma vamos a rellenar las partes sólidas del objeto (infill). En general, con rellenos del orden 15-20% el resultado es lo suficientemente robusto, si bien dependerá de la geometría escogida, del material de fabricación, y de las propiedades que necesitemos para el objeto en cuestión. Hay obviamente muchas formas de rellenar una capa, si bien las más comunes son en panal (hexagonal) o triangular, por su mayor resistencia con un menor relleno. Lógicamente, a mayor relleno además de la resistencia física, mayor será también el consumo de material y el peso final.

Figura 18: Diferentes tipos de relleno (infill).

Por último, mencionar también que será diferencial el camino (path)por el que vamos a rellenar cada capa. Con excepción de algunas tecnologías (en las que se imprime una capa entera simultáneamente), dicho camino puede también afectar a la calidad del producto o su aspecto final.

En este paso es también el momento en el que se averiguará si es necesario el uso de soportes al imprimir, tema del que hablaremos en un capítulo posterior.

En general, si el objeto ha sido diseñado correctamente, con el objetivo de imprimirse en 3D y Figura 19: Ejemplo de camino para

imprimir una capa

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con una tecnología concreta ya en mente, esta fase será mucho más sencilla que si tenemos que investigar ahora la mejor manera de fabricarla. De ahí la importancia de comenzar el diseño de un nuevo producto con el proceso de fabricación aditiva extremo a extremo claro desde un principio.

Existen múltiples herramientas para el rebanado. Para empezar, la práctica totalidad de fabricantes tienen un software propietario específico para su impresora, capaz de leer un objeto 3D en diversos formatos y rebanarlo. Pero siendo como decíamos esta fase la más crítica hay muchas alternativas tanto gratuitas, como de pago, en programas de sobremesa o en la nube.

Algunas de las alternativas más conocidas son Slic3r, Cura,Simplify3D, CraftWare, SliceCrafter y 3DPrinterOS.

Paso 4: Ejecución en la Máquina de fabricación aditiva

Se trata de la impresión propiamente dicha. En esta fase nuestra máquina de fabricación aditiva, nuestra impresora 3D, ejecutará los comandos para construir el rebanado definido en la fase anterior, capa a capa.

Lógicamente, esta fase es totalmente dependiente de la tecnología de fabricación 3D seleccionada. Más adelante veremos un resumen de las principales tecnologías, si bien en este momento merece la pena mencionar el código g-code, por ser este el formato más extendido de instrucciones para una impresora 3D. Cada orden en código g-code indica a la impresora la acción detallada que tiene que hacer (ir a la posición XYZ del espacio, depositar un poco de material en esa posición, etc…).

Figura 20: Impresión 3D por inyección de materiales. Foto: Pixabay.

Figura 21: Impresión con tecnología de extrusión de materiales. Foto: Pixabay

Galería 4: Ejemplos de impresión 3D

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Paso 5: Extracción

Una vez finalizada la ejecución de la impresión 3D propiamente dicha, tendremos que extraer el producto terminado de la máquina.

Puede parecer que esta fase es absolutamente trivial, y de hecho lo es en muchos casos: tan sencillo como abrir una puerta y coger el modelo terminado.

Sin embargo -nuevamente, dependiente de la tecnología empleada-en ocasiones será necesario algo más complejo, que puede ir desde simplemente esperar el enfriamiento de un material demasiado caliente para ser extraído inmediatamente hasta fases más complejas de lavado o eliminación de polvo sobrante. Consideraremos esta fase separada de la fase de acabado/post-producción final puesto que en algunas tecnologías no es algo opcional, sino absolutamente necesario y por tanto que puede suponer un tiempo (y un coste) relevante en la fabricación de la pieza independientemente de la calidad final que se necesite.

Figura 23: Una maquina de impresión 3D en metales por tecnología DMLS

© Moreno Soppelsa | Dreamstime.com http://www.dreamstime.com/morenosoppelsa_info

Figura 22: Fabricación por estereolitografía. © Mari1408 | Dreamstime.com

http://www.dreamstime.com/mari1408_info

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Paso 6: Acabado y post-producción

En ocasiones, el producto tal y como lo hemos extraído de nuestra máquina de impresión 3D no será suficiente para cumplir con las necesidades finales. Así, dependiendo de la tecnología empleada, en esta fase pueden aparecer trabajos adicionales como:

• Lijado

• Lavado en agua o diferentes disolventes

• Eliminación de soportes

• Secado

• Pintado

• Cromado

• Vaporizado

• Inyección de material adicional / dopaje para dar mayor resistencia

• Etc…

Tareas todas ellas con el objetivo de mejorar en algún aspecto el producto y que pueden alargar el tiempo total de fabricación de forma relevante., y por tanto afectar al coste total de producción.

Una vez que hemos visto el proceso genérico podemos comprobar cómo muchas de las fases suceden únicamente en el mundo digital. Este es un elemento diferencial con respecto a otros procesos de fabricación, aun cuando en la actualidad muchos procesos industriales están controlados por ordenador y ejecutados por robots; el adoptar una fabricación aditiva implicará por tanto una transformación de la empresa dentro de una más global estrategia digital. Para sacarle todo el jugo a la fabricación aditiva no sólo se tratará pues únicamente de la compra de una nueva máquina, sino de adecuar el resto de fases, desde el diseño a la distribución del producto, a esta nueva realidad.

La impresión 3D posibilita el movimiento desde una fabricación tradicional hacia un mundo digital, en el que se habla de smart manufacturing o digital manufacturing.

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Tradicionalmente se sigue un esquema paso a paso en el que cada elemento de la cadena sólo tiene relación con el siguiente y además lleva típicamente unas cuantas semanas (o meses, dependiendo del producto) pasar de uno al siguiente. El departamento de diseño se encarga de diseñar un nuevo producto y, una vez hecho, lo pasa a fabricación que es quien se encarga de ver la forma más óptima de fabricarlo y posteriormente de hacerlo. Posteriormente alguien se encarga de la distribución por el canal, mientras marketing y ventas interactúan con el cliente final, terminando el ciclo dando feedback al departamento de diseño para la evolución y rediseño del producto. Este ciclo en cascada es, por naturaleza, lento y se adapta mal a un mercado de demanda muy rápida.

Figura 24: Fabricación tradicional

Por el contrario, en un mundo completamente digital es posible que cada elemento interactúe con los demás aportando sus ideas y problemas. El ciclo es así mucho más rápido, y todos tienen acceso inmediato a la información. El hecho de poder “intercambiar” un objeto digital que sólo existe en el ordenador por uno real sin más que pulsar un botón (el ideal de la fabricación aditiva) permite esta opción.

Figura 25: Fabricación digital

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Por supuesto, una fabricación digital es mucho más que simplemente trabajar con unas máquinas de impresión 3D, pero está claro que una fabricación aditiva posibilita enormemente movernos hacia un smart manufacturing.

Además de posibilitar una transformación digital, estamos ahora en condiciones de analizar en detalle qué ventajas tiene esta nueva forma de hacer las cosas.

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Ventajas de la Fabricación Aditiva

Capítulo 3

La impresión 3D está desplazando a los métodos tradicionales en muchas ocasiones.Veamos porqué.

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“Nunca andes por el camino trazado pues te conducirá a donde otros ya

fueron” Alexander Graham Bell

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Residuos y moldes

Para averiguar las ventajas de la fabricación aditiva, repasemos las tres formas posibles de fabricación que hemos visto, pero de forma conjunta:

Figura 26: Resumen tipos de fabricación.

A la vista del diagrama comparado, pueden observarse dos ventajas diferenciales de la fabricación aditiva con respecto a los otros dos tipos:

I. No hay residuos de material, como ocurre con la fabricación sustractiva. Esto a su vez tiene dos implicaciones:

A. Menor coste de material.

B. Menor impacto en el medio ambiente.

II. No necesitamos moldes. Lo que supone por tanto un menor (¿nulo?) tiempo de preparación, y en consecuencia:

A. Más rapidez para hacer frente a cambios, especialmente pequeños cambios en el producto final.

B. Menor coste de producción de un objeto individual.

Ventajas

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Geometrías

Como luego veremos, no es del todo cierto que la fabricación aditiva (con las tecnologías actuales) esté totalmente libre de residuos o que el tiempo de preparación sea cero; pero a la vista del diagrama resulta evidente que en ambos aspectos es un método mejor a los otros dos.

Analicemos ahora otras posibles ventajas de fabricar objetos capa a capa. A modo de prueba, a nuestro producto intentemos añadirle una nueva característica: un hueco en su interior, por ejemplo, para reducir el peso total de la pieza:

E intentemos aplicar nuestras tres conocidas metodologías de fabricación, siguiendo el mismo esquema anterior, para poder comparar los resultados:

Figura 27: Comparativa de intento de fabricación de un objeto hueco por diferentes tecnologías

En el caso de la fabricación conformativa resulta imposible fabricar un molde que genere un hueco perfecto (¿cómo? ¿suspendido?) en el interior de la pieza. Y aunque así pudiéramos hacerlo, no podríamos quitar el molde del interior de la pieza final.

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Con métodos sustractivos no tenemos mejor suerte: una vez obtenido el contorno final de la pieza, no hay forma de eliminar el interior sin agujerear la pieza.

En ambos casos, por tanto, no queda otra opción más que fabricar este producto en dos o más piezas, que será necesario posteriormente unir, con el consiguiente coste y tiempo.

Sin embargo, con la fabricación aditiva, añadiendo capa a capa vemos que sí es perfectamente posible (al menos teóricamente, nótese que algunas tecnologías podrían tener problemas con un hueco cuadrado similar al dibujado) construir el objeto hueco de una sola pieza, con el consiguiente ahorro en tiempo y -muy probablemente- una mejor resistencia mecánica.

Hemos encontrado así una tercera ventaja de la impresión 3D: nos da acceso a nuevas geometrías, a figuras que antes eran totalmente imposibles de fabricar. En ocasiones, se habla también de geometrías imposibles para referirse a estos nuevos objetos fabricados de una sola pieza.

Un ejemplo clásico de geometría imposible es intentar fabricar un objeto tan cotidiano como un silbato:

No existe forma alguna de hacer uno de una única pieza con los procedimientos tradicionales. Sin embargo, podemos hacerlo todo (sí, ¡incluyendo la bolita interior!) con una única impresión en 3D, con el consiguiente ahorro en mano de obra al no tener que ensamblar varias piezas.

Este acceso a nuevas geometrías nos permite encontrarnos con diseños elegantes que solucionan problemas anteriormente muy complejos. Un gran ejemplo puede verse en The incredible shrinking antenna, https://3dprint.com/tag/3d-printed-antennas/ , la historia de cómo una avanzada antena de satélite anteriormente compuesta por más de 100 partes distintas pasó a imprimirse con una sola.

Otro ejemplo: el cinturón de seguridad de un avión es algo muy común y conocido por todos. Sin embargo, puede obtenerse un diseño optimizado con fabricación aditiva que pese menos de la mitad (de 155g a 70g). Puede parecer poca cosa unos simples gramos; pero para un Airbus 380 con una media de 850 asientos eso supone un ahorro de 72,5 Kg de peso durante toda la vida del avión, lo que a la

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larga supone un ahorro de ¡millones de litros de combustible!. Puede leer el detalle en The Saving project,

https://www.3trpd.co.uk/portfolio/saving-project-saving-litres-of-aviation-fuel/.

Y no sólo hablamos de ahorros en la fabricación o de propiedades (peso, resistencia, etc...) antes no alcanzables, sino también en muchas ocasiones de diseños de una gran belleza estructural.

A modo de resumen, tenemos pues ya identificada otra ventaja: el acceso a geometrías optimizadas:

- previamente imposibles

- con menor número de partes

- sin ensamblado y mejor mantenimiento

- con menos pasos de fabricación

Galería 5: Ejemplos de “geometrías imposibles

Figura 29: Es imposible construir una esfera así con

moldes. (Foto: Pixabay)

Figura 28: Otra pieza imposible de hacer con moldes.

(Foto: © Germán Martín)

Figura 31: Cadenas impresas con los eslabones ya unidos entre sí.

(Foto: Pixabay)

Figura 30: Una llave inglesa fabricada de una sola pieza.

(Foto: Pixabay)

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Curvas de coste

Pero no hemos terminado ahí. Veamos que ocurre por ejemplo cuando analizamos el comportamiento de la fabricación aditiva frente a las economías de escala.

¿Qué son las economías de escala? Pues sencillamente a lo que nos lleva el hecho de que en algunos métodos de producción los costes fijos de fabricar algo (los costes que tenemos independientemente del número de unidades fabricadas) sean mucho mayores que los costes variables (los asociados directamente a fabricar una unidad más). Llevamos muchos años oyendo hablar de ello; por ejemplo, cuando quisimos hacer unas camisetas para la clase de fin de curso y resultó que prácticamente nos costaba lo mismo encargar 50 que 100. O fabricar una placa electrónica cuesta lo mismo que veinte. Y eso, ¿por qué? porque preparar las máquinas, hacer moldes, etc.. es la mayor parte del coste final. El hacer una unidad más es darle a la máquina en cuestión un par de minutos, con un coste mínimo.

Figura 32: Economías de escala en la producción “tradicional”.

Nos encontramos así con una gráfica como la de la figura. Los ahorros de las economías de escala hacen que el coste unitario baje exponencialmente según fabricamos más y más unidades. Esto ocurre así en casi todos los procesos industriales tradicionales, intensivos en maquinaria y preparación.

Sin embargo, en la fabricación aditiva no ocurre así. Prácticamente nos cuesta lo mismo fabricar uno que muchos. Es cuestión de mandar otra vez la orden de trabajo a la impresora 3D. Se considera así que la

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impresión 3D no tiene economías de escala, quedando por tanto una gráfica totalmente distinta, como puede verse.

Esta es la gráfica teórica, pero en realidad esto no es totalmente exacto: sí que hay economías de escala en la fabricación aditiva (posibles mejoras en postproducción agrupando elementos, reutilización del procesado 3D, etc...), lo que ocurre es que son mucho menores que para otros esquemas de fabricación. En la práctica quedaría por tanto algo como una curva con menor inclinación. No obstante, se suele emplear directamente la primera, afirmando que la fabricación aditiva no tiene economías de escala de ningún tipo.

Figura 34: Economías de escala en la fabricación aditiva

¿Y qué más da que tenga o no economías de escala? Parece que incluso debería ser malo no tener economías de escala, ¿no? Se ve mucho más claro cuando comparamos ambas gráficas:

Figura 33: ¿Economías de escala en la fabricación aditiva?

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Figura 35: Comparativa de economías de escala.

En la zona gris de la gráfica (a la izquierda del corte entre ambas curvas) está la zona que nos interesa: es aquella en la que el coste unitario de la producción aditiva es menor que para la producción tradicional. Como puede verse, cuando el número de unidades es muy pequeño (una, dos, etc...) la diferencia de costes es muy significativa, hasta el punto de hacerla económicamente posible.

Queda así clara una nueva ventaja de la impresión 3D: es mucho más barato para series de fabricación corta (tamaño de lote reducido, incluso cercano a la unidad). Los analistas hablan así de dos nuevos fenómenos aportados por la fabricación aditiva:

a) La democratización de la producción. Es decir, hacer accesible la fabricación de determinados objetos a empresas o individuos que antes no lo hacían porque no tenían necesidad de fabricar un alto número de productos, y el coste de hacerlo para uno solo resultaba absolutamente prohibitivo. Esta es una de las claves del fenómeno “maker” del que hablaremos más adelante.

b) La personalización (“customización”) del producto, por cuanto que podemos cambiarlo y adaptarlo a las necesidades individuales de cada cliente. Ya no es imprescindible fabricar miles de unidades exactamente iguales y dar a cada cliente lo mismo para que resulte suficientemente competitivo en precio. ¡Podemos fabricar con el mismo coste uno a uno productos ligeramente diferentes adaptados a cada necesidad individual! En la misma línea, el “time to market” de un nuevo producto se reduce radicalmente.

Analicemos ahora cómo se comporta el coste unitario de fabricación conforme aumentamos la complejidad (geometría complicada) del

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producto. Hasta ahora, con las tecnologías tradicionales resulta obvio que cuanto más complejo sea el objeto a fabricar, mayor será el coste (mayor número de piezas, tratamientos adicionales para unirlas, múltiples moldes, pasos de fabricación en cadena, etc...), hasta llegar a un punto en que el producto es tan complejo que hacerlo es realmente caro.

Gráficamente, sería algo semejante a esto:

Figura 36: Coste por complejidad de producto en la producción “tradicional”.

En cambio, como ya hablamos antes, una de las grandes ventajas de la fabricación aditiva es precisamente su capacidad de hacer fácil las piezas complejas, de forma que el incremento de coste con la complejidad es mínimo:

Figura 37: Coste por complejidad de producto en la fabricación aditiva.

Comparando ambas curvas de coste, vemos claro que, cuanto mayor sea la complejidad, más interesará adoptar una estrategia de fabricación aditiva.

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Figura 38: Comparativa de costes por complejidad de producto.

Algunos autores definen así la zona de la derecha de la curva como la de la “complejidad gratis”, puesto que el coste de complicar el producto es prácticamente despreciable.

Sigamos con nuestro análisis de los costes unitarios frente a otras variables, analizando ahora qué ocurre cuando es necesario entregar nuestro producto a un lugar lejano o aislado para su uso:

Figura 39: Evolución de los costes con la distancia.

Lógicamente, cuanto más lejos hay que llevarlo mayor será el coste. Y llegará un punto en el que los costes de transporte superarán con mucho el coste de fabricación.

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En cambio, con nuestra nueva tecnología de fabricación aditiva ¿para qué necesitamos enviar el producto? Resulta más sencillo enviar nuestro modelo 3D (o las órdenes g-code directamente) y fabricar en el mismo lugar (o uno cercano) en el que el producto se va a consumir.

Así, idealmente, los costes de transporte serán cero, y nos dará lo mismo el lugar de consumo. En la práctica, claro, no será totalmente invariable con la distancia (entre otras cosas, habrá a lo mejor que enviar el material fungible, el sistema de impresión o retos similares); pero lo que está claro es que los costes de transporte serán en comparación irrelevantes en la fabricación aditiva:

Si llevamos este concepto al extremo, aparece aquí una nueva figura: la del consumidor que se auto-abastece, produciendo lo que necesite consumir. A este nuevo jugador se le denomina prosumidor, y -de hecho- la gran duda es si al final todos nos convertiremos en prosumidores con futuras tecnologías de impresión 3D. Pero sin llegar a aceptar a corto plazo que tal cosa ocurra, lo que resulta innegable, y dedicaremos un capítulo a ello, es que la cadena de suministro (el viaje desde el fabricante hasta el consumidor) se va a ver totalmente alterado.

Finalmente, el adoptar una estrategia de fabricación aditiva nos trae otra ventaja que no es tan evidente: al “democratizar” la producción

Figura 40: Evolución de los costes con la distancia en la fabricación aditiva

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tendremos miles de potenciales diseñadores y fabricantes para un producto (esto obviamente puede ser también un problema, por la proliferación de competidores, pero ahora estamos hablando deventajas). Pues bien, el hecho de que exista este número nos habilita el acceso a lo que se ha dado en llamar “inteligencia colectiva”: no porque las masas vayan a solucionar nuestro problema... sino porque entre los miles de individuos es posible que alguien dé con el diseño perfecto. Y ¿cómo hacemos que miles de personas trabajen para nosotros? en los últimos tiempos se ha generalizado la opción de lanzar un “reto” (challenge) a la comunidad en Internet, ofreciendo a cambio un premio en metálico. La ventaja de hacerlo así es que casi seguro nos costará mucho menos que diseñarlo internamente; y conseguiremos un buen resultado. Eso sí, costará luego mantenerlo en secreto, pero de eso hablamos en el próximo capítulo...

Resumen de las ventajas de la fabricación aditiva

I. Menor residuo = Menor coste e impacto en el medio ambiente

II. No necesitamos moldes = Menor tiempo de preparación:

a. Rapidez.

b. Menor coste de producción.

III. Geometrías optimizadas:

a. Previamente imposibles.

b. Con menor número de partes / sin ensamblado y mejor mantenimiento

c. Con menos pasos de fabricación.

IV. Permite producción de bajo volumen.

V. Rapidez de respuesta a variaciones.

VI. Democratización de la producción / Personalización.

VII. Complejidad “gratis”.

VIII. Cadenas de suministro más cortas -> “Prosumidores”

IX. Posibilidad de acceso a la “inteligencia colectiva” (“Challenges”).

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Problemas de la Fabricación Aditiva

Capítulo 4

Hasta ahora no hemos hablado más que maravillas de la fabricación aditiva; ¿reemplazará entonces completa-mente -como dicen algunos- a las demás tecnologías de fabricación?Puede que a largo plazo así ocurra, pero por el momento las cosas no son tan ideales como aparentan...

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“Nada es perfecto: por eso los lápices tienen borrador”

Anónimo

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De vuelta con las curvas de coste

En el capítulo anterior nos fijábamos en cómo las tecnologías de fabricación aditiva resultaban más económicas para tamaño de lote corto y mucha complejidad. Ahora bien, estas curvas pueden también verse justo al contrario: imaginemos que únicamente se conocieran las tecnologías de fabricación aditiva y acabásemos de descubrir la fabricación por inyección en moldes; pondríamos la gráfica de economía de escala anterior:

e inmediatamente nos fijaríamos en la parte derecha de la curva y diríamos: acabamos de descubrir una tecnología que es mucho mejor para grandes tamaños de lote. Y así es: hoy por hoy no tiene mucho sentido hacer por ejemplo botellas de plástico con fabricación aditiva; es infinitamente más competitivo hacerlo por inyección, aunque haya que añadir el coste de transporte.

De igual modo ocurre con la gráfica de la complejidad del capítulo anterior:

Problemas

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Puede verse que para objetos sencillos es más barato hacerlo por otros mecanismos que por la fabricación aditiva.

En conclusión, es razonable esperar que a corto y medio plazo, objetos simples y de uso común (con largas tiradas) sigan siendo producidos con los procedimientos que ya conocemos. ¿Será así para siempre? Según se siguen optimizando las tecnologías de impresión 3D la curva de producción aditiva se desplazará hacia abajo, limitando cada vez más en qué situaciones la inyección en moldes es más competitiva. No es completamente seguro pero tampoco parece razonable que baje hasta tal punto que elimine completamente otras opciones.

Problemas en el rebanado

Ya hemos visto como posiblemente la fase más crítica de la fabricación aditiva es la de rebanado, cuando definimos cómo cada capa de material va a ir siendo superpuesta sobre la anterior hasta completar el objeto final.

Esta fase no está exenta de problemas. Veamos un ejemplo: si queremos imprimir en 3D una letra V, no hay problema, simplemente vamos poniendo las capas hasta el final:

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Pensamos que esto va a ser así siempre. Sin embargo, veamos qué ocurre si intentamos imprimir un 7 como el de la figura:

Iremos poniendo capas, pero en un determinado punto, ¡tenemos un problema! ¡No podemos poner una capa sobre el aire!:

¿Qué hacemos entonces? Tenemos que imprimir algo definiendo una estructura hasta llegar a ese punto. Ese algo son lo que se conocen como soportes: un “extra” de material que se imprime con el único propósito de poder servir de apoyo a las capas que vengan por encima. Pero, lógicamente, lo que se imprime no será entonces la figura que queremos sino la figura con soportes. Será necesario un procesado posterior (manual, por disolución, limado o como sea, dependiendo de la tecnología empleada) para la eliminación de estos soportes en la fase de post-procesado.

El problema de la necesidad de soportes no sólo aparece en casos como el anterior en que tendríamos que imprimir sobre la nada, sino que también aparecerá cuando el ángulo en el que cada capa se apoya sobre la siguiente sea demasiado agresivo y esté en una situación de voladizo (overhang).

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Figura 41: Las letras Y, H, T nos muestran la situación de overhang.

Hay muchas variables que definirán en qué momento ese voladizo imprimirá una correcta impresión del objeto (tecnología empleada, temperatura, material, velocidad de impresión, altura de la capa, etc.) pero en general se considera que para ángulos superiores a los 45º será necesario imprimir soportes.

Así, la necesidad de soportes puede aumentar significativamente el coste de fabricación de un producto por impresión 3D. Y, por supuesto, la dificultad de su diseño: un diseño optimizado será aquel que permita la impresión de un objeto con la cantidad mínima desoporte que permita su eliminación de la mejor manera posible.

Figura 42: Intentar imprimir sin soportes cuando el ángulo es mayor de 45º suele tener malos resultados. (Foto: © Germán Martín)

Por supuesto, también puede ser una solución reorientar el diseño de forma que a la hora de imprimir no sean necesarios soportes. Así, en nuestro ejemplo anterior del número siete bastaría girar 90º alrededor del eje x para poder imprimir la figura sin problemas. Claro que esto

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no es tan sencillo para modelos más complicados. De ahí la importancia de que los diseños del objeto en 3D se hagan con la vista puesta en su facilidad de fabricación posterior.

No todas las tecnologías de fabricación aditiva necesitan soportes, aunque sí la mayoría de ellas. En algunas tecnologías la eliminación de esos soportes puede hacerse de forma que no quede ni rastro de los mismos; en otras, la eliminación de soportes afea de forma significativa la terminación del producto.

Figura 43: Imprimir el David de Miguel Angel implica una compleja estructura de soportes.

Anisotropía

Un fenómeno inherente a la fabricación 3D se deriva del hecho de que el objeto fabricado no tiene exactamente las mismas propiedades en todas sus dimensiones en función de cómo haya sido fabricado. Veamos un ejemplo.

Supongamos que queremos fabricar una pieza como la de la figura, un simple rectángulo con dos agujeros, que queremos posteriormente usar para unir otras piezas.

Pues bien, resulta que el ángulo en el que imprimamos la pieza afecta a la resistencia final de la misma. ¿Y eso por qué? pues porque en general las capas que se han ido superponiendo una a la otra no lo hacen con la misma fortaleza físico-química que lo hacen elementos consecutivos (vóxels a un mismo nivel). Así, podemos ver en la imagen como nuestra pieza resulta tener un máximo de resistencia cuando las

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capas están impresas en un ángulo de 45º con respecto a la fuerza que van a tener que soportar.

Figura 44: Ejemplo de anisotropía

Este fenómeno de no poseer las mismas propiedades dependiendo de la dirección se denomina anisotropía, y es más relevante de lo que parece. Para empezar, el diseño tendrá que tener esto en cuenta, y, aún más importante, certificar que una pieza cumple determinadas especificaciones se vuelve mucho más complicado.

Debido a ello, en muchas tecnologías de impresión 3D, los objetos por defecto se fabrican girados en un ángulo de 45º y con soportes.

De hecho, investigadores han demostrado recientemente que pequeñas variaciones en el ángulo en el que se añaden las capas, del orden de 3-5º, pueden tener grandes implicaciones de variabilidad en las propiedades finales de la pieza fabricada. Esto hace a muchas tecnologías de fabricación aditiva muy vulnerables a sabotajes o a imperfecciones difíciles de detectar en el momento de la fabricación.

Repetibilidad

Fenómenos como el de la anisotropía, y el hecho de que en muchas tecnologías la cantidad de parámetros que se pueden variar a la hora

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de fabricar un objeto sean muy amplias, hacen que sea muy complicado asegurar que cada objeto producido sea exactamente igual al anterior. Así, es muy difícil confirmar una consistencia absoluta entre productos iguales del mismo fabricante, con el consiguiente problema de comercialización.

Propiedades de algunos materiales

Mes a mes se añaden nuevos materiales a las diversas tecnologías de fabricación 3D. Pero es importante señalar aquí que algunas de las tecnologías más populares (como la extrusión de materiales) emplean plásticos o polímeros que tienen una resistencia limitada al calor o la luz. Otro problema suele ser la duración del color en algunas tecnologías multi-color.

Tamaño

Aunque cada día se construyen impresoras más y más grandes, el tamaño de la cámara de impresión limita el tamaño máximo de objetos que se pueden producir con fabricación aditiva. Para impresoras de sobremesa, tamaños máximos de 20x20x20 cm suelen ser habituales, mientras que para las industriales es más común 1mx1mx1m como máximo. Existen impresoras mucho más grandes, capaces de fabricar hasta un coche de una pieza, pero no son lo habitual.

Estándares

Los estándares nos rodean por todas partes. Y, aunque para el consumidor final parezcan algo superfluo o directamente innecesario, para la industria no es así. El asegurar que una pieza cumple un estándar determinado permite a la industria emplearla en determinados nuevos diseños, produciendo otros productos a su vez empleados en la fabricación de otros, todo ello asegurando que la pieza inicial va a cumplir con nuestras necesidades.

En un entorno abierto y cambiante de múltiples tecnologías, evolucionando de forma acelerada, y en las que además la

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repetibilidad es complicada y con productos que sufren de anisotropía resulta muy complicado que estos estándares existan.

Por supuesto, la industria trabaja fuertemente en conseguir cuanto antes dichos estándares (ver por ejemplo la estructura de estándares aprobada en las normas ASTM F42 e ISO TC261), pero aún no tenemos un marco estable.

Escasez de conocimiento

En todo campo que crece muy rápidamente uno de los problemas es siempre la falta de expertos en la empresa que nos permitan adaptar nuevos cambios con rapidez. Además, con las decenas de opciones tecnológicas disponibles actualmente es muy complicado poner en marcha un programa de formación que asegure tener una fuerza laboral operativa en un corto plazo.

Más aún, como ya se ha comentado, la fabricación aditiva no sólo supone añadir “una máquina más” sino que muchas empresas se ven obligadas a adoptar un mayor proyecto de transformación digital que aumenta aún más la dificultad de reciclar trabajadores en esta nueva tecnología.

Nuevos competidores

Como decíamos en el capítulo anterior, al “democratizar” la producción tendremos miles de potenciales diseñadores y fabricantes para un producto. Como consumidores, es perfecto. Pero como actuales fabricantes resulta evidente que tendremos que hacer frente a un entorno mucho más competitivo.

Además de este acceso a nuevos jugadores a la industria, con una fabricación aditiva queda claro que el mundo digital tiene un mayor peso; las barreras de entrada tecnológicas disminuyen en gran medida y la posibilidad de copiar/adaptar diseños de competidores se hace muy barata y fácil, en lo que constituyen claras amenazas a la propiedad intelectual.

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Resumen de los problemas de la fabricación aditiva

I. Mayor coste para un gran tamaño de lote.

II. Más costoso para productos simples.

III. Mejor transportar que producir si la distancia es corta

IV. Posible necesidad de soportes -> Mayor coste, tiempo y menor calidad.

V. Anisotropía / impredecibilidad de Tolerancias.

VI. Repetibilidad y consistencia entre productos iguales

VII. Resistencia limitada al calor, rozamiento y duración del color.

VIII. Falta de estándares

IX. Tiempo de impresión

X. Necesidad de un diseño ad-hoc.

XI. Falta de conocimiento y experiencia entre los trabajadores.

XII. Nuevos competidores en un entorno digital

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HistoriaCapítulo 5

La Fabricación Aditiva resulta ser bastante más antigua de lo que podríamos pensar.

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“La Historia cuenta lo que sucedió; la poesía lo que debía suceder”

Aristóteles.

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Para mucha gente la fabricación aditiva es algo muy moderno, y empezó a saber de ello a raíz de la popularización de la primera impresora de sobremesa que ya no era un kit de automontaje, la MakerBot Replicator 2 en 2012, en venta por tan solo 2.199 dólares. La portada de la revista Wired en Septiembre con Bre Pettis sosteniéndola y el título “This machine will change the world” se hizo muy popular. Para los algo más frikis, fue la aparición dentro del proyecto RepRap en 2008 de la primera impresora auto-replicante, que podía imprimir la mayoría de sus componentes y que desató la fiebre de los kits DIY (Do It Yourself) lo que les dio a conocer la existencia de la impresión 3D unos años antes.

Sin embargo, la historia es bastante más antigua. Generalmente se fecha su origen en 1984, cuando el ingeniero norteamericano Charles Hull inventa la estereolitografía (SLA), primera tecnología de fabricación aditiva basada en polímeros sensibles a la luz ultravioleta que sería posteriormente patentada en 1986, creando además la empresa 3D Systems.

No obstante, en 1981 Hideo Kodama, del Nagoya Municipal Industrial Research Institute publicó un primer sistema de prototipado rápido mediante polímeros.

En esta línea de tiempo se reflejan algunos de los acontecimientos más destacados desde entonces.

Historia

Figura 45: Primera patente de la estereolitografía en 1986.

Fuente: https://patents.google.com/patent/US4575330A/en

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Cuatro son los principales motivos de la gran expansión de la fabricación aditiva en los últimos años:

El vencimiento de algunas de las patentes de las principales tecnologías, que limitaba su uso a los propietarios de dichas patentes, y que ha permitido la proliferación de empresas especializadas.

El desarrollo de múltiples materiales: resinas, compuestos cerámicos, metálicos, etc, que han permitido conseguir un producto final más adecuado a cada situación.

La popularidad del movimiento “Maker”, que ha dado a conocer la impresión 3D en el mercado amateur, con las tecnologías más baratas de extrusión de materiales.

Por último, el propio marketing de las empresas líderes del sector, tanto fabricantes de máquinas de impresión 3D como de intermediarios en la producción, que ha desarrollado el uso industrial y el personal.

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Aplicaciones y ejemplos sectoriales

Capítulo 6

Aunque es imposible echar un vistazo a todos los sectores en los que la impresión 3D está ya pegando con fuerza, repasaremos algunas de las aplicaciones más importantes.

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““El valor de una idea radica en el uso de la misma”

Thomas Edison

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Estrategias

En el capítulo dedicado a las ventajas de la fabricación aditiva, veíamos las distintas curvas de costes unitarios. Pues bien, si las analizamos en conjunto, podemos encontrar cuatro estrategias o motivos por los que empezar a aplicar la fabricación aditiva, basadas en las 3 gráficas:

Figura 46: Recordatorio: las curvas de coste unitario en la fabricación aditiva

I. Menor coste para un menor tamaño de lote, a su vez motivado por una de estas dos alternativas:

A. Posibilidad de tiradas cortas o incluso de una única unidad

B. Personalización del producto

II. Mejor producto

III. Mejora en la cadena de suministro

Veamos ahora cómo los distintos sectores están aplicando una (o varias a la vez) de estas estrategias empleando la impresión 3D como herramienta competitiva.

Prototipado rápido

La primera aplicación de la estereolitografía, la primera tecnología de impresión 3D, fue precisamente hacer uso de la posibilidad de producir un único objeto a bajo coste. Los materiales con los que se hacía (las resinas fotosensibles) no eran normalmente el material deseado para

Cuando aplicar una fabricación aditiva

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el objeto final, pero fabricar un objeto a partir de un diseño preliminar en sólo unas horas (en lugar de semanas, como hasta ese momento) supuso un cambio radical.

Los ingenieros y diseñadores saben bien la diferencia entre tener un diseño en una pantalla a tenerlo entre las manos. Un prototipo preliminar con existencia física permite validar muchas propiedades y, especialmente, asegurar que el cliente verifica la calidad del producto esperado antes de la fabricación final.

Tan extendido estuvo el uso de la impresión 3D para el prototipado rápido en la industria que ambos términos son aún empleados como sinónimos en muchos casos, si bien poco a poco empiezan asepararse.

Actualmente, el prototipado rápido se emplea no sólo con estereolitografía, sino con todas las tecnologías de fabricación aditiva, aunque -como es lógico- son más usadas las tecnologías más baratas como la de extrusión de materiales. Y se emplea no sólo en sectores de diseño de caras piezas industriales como en sus inicios, sino que está extendido a un amplio abanico de sectores.

En definitiva, la experiencia de prototipado rápido permite mejorar el producto y acortar los plazos por:

a) La validación anticipada del diseño.

b) La reducción de errores en las fases previas a la fabricación.

c) La mejor comunicación de ideas dentro del equipo y con el cliente final.

d) La posibilidad de hacer múltiples iteraciones de fabricación, cuando antes se hacían apenas un par de ellas.

Copia

Cuando tenía 7 años leí por primera vez Tintín y el lago de los tiburones. En este cómic el profesor Tornasol muestra su último gran logro: una máquina capaz de reproducir cualquier objeto en tres dimensiones sin más que ponerlo en la máquina y pulsar un botón. Tan maravilloso invento despierta la codicia del enemigo de Tintín, Rastapopoulos, que ve en ella la posibilidad de hacer perfectas falsificaciones de obras de arte y forrarse con ello. Recuerdo perfectamente cómo me gustaba la idea de ser capaz de construir una

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máquina tan maravillosa, y durante mucho tiempo fantaseé con acabar siendo un famoso científico-inventor. Supongo que este hecho, entre otros muchos, influyó en mí para acabar estudiando ingeniería.

Lo que realmente no esperaba es que de alguna forma mis sueños infantiles llegara a verlos hechos realidad: ¡la impresión 3D ha hecho posible la copia hiper-realista de cualquier objeto! Como ya vimos, basta con un buen escáner de tres dimensiones para estudiar un objeto cualquiera, generar su modelo 3D y -tras el tratamiento adecuado- copiarlo en el mismo u otro material.

Así dicho, parece que la palabra “copia” no nos va a traer sino problemas, en un mundo como el actual en el que estamos permanentemente en lucha con las falsificaciones de objetos de marca y la descarga ilegal de música, libros, películas, programas y todo tipo de información digital.

Sin embargo, si lo pensamos bien, fue precisamente la facultad de copiar lo que posibilitó la aparición de la imprenta y la posibilidad de popularizar la lectura. Supongo que en la época no le haría ninguna gracia al propietario de una amplia biblioteca de manuscritos que, de repente, casi cualquiera pudiera leer sus historias igual de bien que él.

Pues bien, tomar un objeto singular y reproducirlo hace accesible al gran público el estudio cercano de cosas que antes estaban únicamente accesibles a unos pocos privilegiados.

En Febrero de 2011, The Economist llevaba en su portada la foto de un violín impreso en una impresora DMLS, con el título “Print me a Stradivarius” (Imprímeme un Stradivarius) como ejemplo de cómo la impresión 3D iba a cambiar el mundo. Lo más sorprendente para muchos es que el violín, fabricado en metal a diferencia del original, sonaba perfectamente.

Son muchas las aplicaciones de poder hacer una copia fiable, especialmente en el mundo del estudio. Por ejemplo, los restos fósiles -especialmente los de animales grandes como los dinosaurios- sonescasos y delicados. El poder trabajar en una copia, permite a paleontólogos, investigadores y aficionados analizar y estudiar los distintos huesos y los posibles movimientos de las articulaciones sin temor a causar un daño irreparable.

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Figura 47: Generación de una copia exacta de un fósil.

Podemos encontrar en Internet múltiples ejemplos similares. Así, en africanfossils.org encontramos un sitio que se define a sí mismo como un “laboratorio virtual con una espectacular colección de fósiles y artefactos encontrados en África”. En el mismo se invita a interactuar con los distintos objetos 3D de forma online o descargarlos e imprimirlos en 3D para estudiarlos con todo detalle. Una forma fantástica de acceder a detalles hasta ahora impensable.

En un caso parecido, en 2012 investigadores de la Universidad de Leicester en el Reino Unido decidieron escanear los restos del rey Ricardo III, descubiertos ese año por casualidad, y modelizarlos en 3D. Así, pudieron analizar en detalle posibles escenarios de su muerte (narrada entre otros por Shakespeare) sin miedo a dañar unos restos relativamente frágiles.

En una iniciativa muy similar, en Noviembre de 2014 el British Museum anunciaba que había realizado y liberaba modelos en 3D de objetos de sus principales colecciones para dar la opción de crear cada unosus propias copias en casa (dentro de su iniciativa, “A museum of the world, for the world”). Por supuesto, no es posible con la tecnología actual hacer las copias en piedra, marfil o hueso (por decir algunos de los materiales más comunes de los objetos en museos), pero eso no quita que sea una opción muy atractiva especialmente para estudiantes y amantes de la Historia. Al fin y al cabo, ¿a quién no le gustaría tener la piedra Rosetta en casa?

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Figura 48: Una copia hecha en PLA por el autor de la figura del r